1
FACULDADE DE TECNOLOGIA
SENAI “NADIR DIAS DE FIGUEIREDO”
ADILSON CARDINALI
ERIK FÁBIO TOLEDO
A INFLUÊNCIA DO TEOR DE ALUMÍNIO EM INJETADOS
SOB PRESSÃO NAS LIGAS DE ZINCO
OSASCO
2011
2
ADILSON CARDINALI
ERIK FÁBIO TOLEDO
A INFLUÊNCIA DO TEOR DE ALUMÍNIO EM INJETADOS
SOB PRESSÃO NAS LIGAS DE ZINCO
Trabalho de Conclusão de
Curso
apresentado
à
Faculdade
de
Tecnologia
SENAI
“Nadir
Dias
de
Figueiredo”
em
Processos
Metalúrgicos para a obtenção
do título de tecnólogo em
Processos Metalúrgicos sob a
orientação técnica do (a) Prof.
Jefferson
Malavazi
e
orientação metodológica do
Prof.
Roberto
Sanches
Cazado
OSASCO
2011
3
ADILSON CARDINALI
ERIK FÁBIO TOLEDO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade SENAI de
Tecnologia em Processos Metalúrgicos para obtenção do título de Tecnólogo
em Processos Metalúrgicos. Orientador (a): Prof. Jefferson Malavazi.
A INFLUÊNCIA DO TEOR DE ALUMÍNIO EM INJETADOS
SOB PRESSÃO NAS LIGAS DE ZINCO
____________________________________________________
Orientador (a): Jefferson Malavazi
___________________________________________________
Examinador (a): Roberto Sanches Cazado
Osasco, 08 de Dezembro de 2011.
4
Copyright 2011, Escola SENAI “Nadir Dias de Figueiredo”.
Ficha Catalográfica
CARDINALI, Adilson
Número
Cadastro
Biblioteca
TOLEDO, Erik Fábio
A Influência do Teor de Alumínio em Injetados sob
Pressão nas Ligas de Zinco.
São Paulo: SENAI – SP, 2011.
5
DEDICATÓRIA
TOLEDO dedica este trabalho às suas
companheiras Noiva Lilian Regina dos Santos Silva,
Mãe Ana Toledo Costa e Irmã Emily Fátima Toledo
de Campus.
CARDINALI dedica este trabalho a sua
Esposa Soraya Cardinali.
Por se constituírem diferentemente enquanto
pessoas, igualmente belas e admiráveis em
essência. São estímulos que nos impulsionaram a
buscar vida nova a cada dia. Agradecemos por
terem aceitado se privar de nossa companhia pelos
estudos, concedendo a oportunidade de nos
realizarmos ainda mais.
6
AGRADECIMENTOS
A nossos orientadores, Prof. Ms. Roberto
Sanches Cazado e Prof. Ms. Jefferson Malavazi.
Encontramos-nos desprovidos de palavras que
possam,
fielmente,
retratar
nossa
gratidão.
Desejamos retribuir a competência, a sensibilidade
e a disponibilidade com que sempre nos orientaram,
contribuindo para o aprimoramento intelectual,
profissional e pessoal que acreditamos ter adquirido
através do vínculo estabelecido.
Aos senhores Antonio Sergio Corradini e
Sergio Galvão Gouvea da empresa Proaqt Empreendimentos
Tecnológicos
Ltda.
Pela
disponibilidade e recursos para execução dos
trabalhos de Metalografia.
Aos senhores André Arakaki Alves, Nilton
Cesar Cordeiro e Marcio Francisco Dias da Silva
pela ajuda e pronta disponibilidade para execução
dos ensaios na escola SENAI.
7
EPÍGRAFE
“Não confunda derrotas com fracasso nem vitórias
com sucesso. Na vida de um campeão sempre
haverá algumas derrotas, assim como na vida de um
perdedor sempre haverá vitórias. A diferença é que,
enquanto os campeões crescem nas derrotas, os
perdedores se acomodam nas vitórias.”
(Roberto Shinyashiki).
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RESUMO
A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas
sob pressão: tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de arranque,
maçanetas, caixas de câmbio de máquinas agrícolas. O mesmo acontece com a
indústria aeronáutica que utilizam peças fundidas, principalmente de ligas de
alumínio e magnésio. Essa variedade de produtos indica a importância desse
processo de fabricação dentro do setor da indústria metal-mecânica.
No processo metalúrgico atual existe a necessidade de novos recursos
aplicados à produção e diretamente ligados à qualidade. Eles são cada vez mais
utilizados nos processos de fundição sob pressão, a quente e a frio. Em ambos
utilizam-se de um sistema de pistão com cilindro responsável pela injeção do metal
líquido aquecido em uma matriz, que após o resfriamento da peça obtida é removida
por meio de um sistema hidráulico de extração. Frente a esta realidade a pesquisa
tem por objetivo comprovar a influência do teor de Alumínio nas ligas de Zinco,
através de analise das características mecânicas obtidas.
A metodologia utilizada será a comparação de ligas de zinco com teores de
alumínio de 5, 10 e 15 %, com a realização de ensaios metalográficos, químicos e
mecânicos, demonstrando os resultados encontrados em relação a outras ligas
utilizadas em Fundição sob pressão.
Como resultado esperado, buscamos comparar os efeitos da adição de
elemento de liga alumínio com a pesquisa literária, sem perdas consideráveis das
propriedades mecânicas.
Palavras chave: Teor de Alumínio. Fundição Sob Pressão. Ensaios
metalográficos. Ensaios mecânicos. Ligas de Zinco.
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ABSTRACT
The automotive industry uses a lot of pressure castings, valve caps, locks,
starter motor housings, door handles, gearboxes, agricultural machinery. The same
goes for the aircraft industry, which uses mainly castings of aluminum alloys and
magnesium. This variety of products indicates the importance of this process within
the manufacturing sector of the metalworking industry.
In the metallurgical process now exists a need for new funds invested directly
linked to production and quality. They are increasingly used in die casting process hot
and cold. In both make use of a piston cylinder system responsible for injecting the
liquid metal heated in a matrix, which after cooling, the part obtained is removed
by means of a hydraulic extraction. Forward this reality research is to analyze the
influence of aluminum content in alloys of zinc, noting the mechanical characteristics
obtained in the relationship process and equipment.
The methodology used is the comparison of zinc alloys with aluminum
concentrations of 5, 10 and 15%, with the testing metallographic, chemical and
mechanical,
demonstrating the
quality of
an
alloy in
relation
to
other commercial alloys used in casting.
As a result, we sought to compare the effects of adding aluminum alloy
element to the research literature, without substantial losses of mechanical
properties.
Key Words: Aluminum content. Pressure Casting. Metallographic Tests.
Mechanical tests. Zinc alloys.
10
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO................................................................................ 11
2.
Processo de Fundição sob pressão ......................................... 12
2.1. Moldes para fundição Sob Pressão ....................................... 13
2.5. Vantagens apresentadas pela fundição sob pressão........... 19
2.6. Aplicação de diferentes tipos de máquinas de fundição sob
pressão ............................................................................................... 20
2.7. Ligas empregadas na fundição sob pressão. ....................... 21
2.8.
Classificação das ligas ........................................................ 21
2.8.1.
Ligas de baixo ponto de fusão ......................................... 21
2.8.2.
Ligas leves ......................................................................... 23
2.8.3.
Ligas de alto ponto de fusão a base de cobre................. 23
3. O Zinco .......................................................................................... 24
3.1. ZINCO E SUAS LIGAS ............................................................. 24
3.2. Classificação e designação .................................................... 26
3.3. Constituição e propriedades das ligas de zinco ................... 27
3.4. Constituição e propriedades das ligas de zinco para fundição
28
3.5. Resistência à corrosão das ligas de zinco ............................ 32
3.6. Propriedades mecânicas das ligas de zinco ......................... 32
3.7. Usos típicos das ligas de zinco.............................................. 33
3.8. Ligas de Zinco para Fundição ................................................ 34
4. OBJETIVO GERAL ........................................................................ 37
4.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................... 37
5. PROCESSOS E ENSAIOS............................................................. 38
5.1. Adições de Aluminio ............................................................... 38
5.2. MÉTODOS E ENSAIOS............................................................ 39
5.3. ANÁLISES DOS RESULTADOS .............................................. 40
5.3.1. Ensaio Universal de Tração ................................................. 40
5.3.2. Ensaio de Micro dureza........................................................ 41
5.3.3. Análise metalográfica........................................................... 42
6.
RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................. 43
6.1. Análise química ....................................................................... 43
6.2. Ensaio de resistência à tração ............................................... 44
6.3. Determinação de microdureza Vickers.................................. 45
6.4. Análise metalográfica ............................................................. 46
6.4.1. Macroestruturas ................................................................... 46
6.4.2. Microestruturas .................................................................... 48
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................ 50
8. REFERÊNCIAS .............................................................................. 51
11
1. INTRODUÇÃO
Durante a graduação observamos que a Metalurgia vem sendo estudada
desde os primórdios da humanidade. O homem vem desenvolvendo ligas, que no
inicio eram de forma acidental, em um frenesi alucinado para substituir ou ampliar a
vida útil dos componentes mecânicos.
Todo este estudo vem possibilitando um aprofundamento, que tem feito com
que as disciplinas, estejam em aprimoramento constante, com o intuito de formar
profissionais cada vez mais focados nos acontecimentos e necessidades do
mercado.
Nos dias atuais na maioria das vezes impulsionados, pela velocidade da
informação globalizada, disputa no custo de matéria prima e em consequência
processos que tornem os produtos cada vez mais competitivos e atrativos para o
mercado, que no mínimo sugere adaptações e estudos. Dentro deste contexto, a
Metalurgia esta naturalmente envolvida no processo de mudanças, juntamente com
a docência, tecnólogos e sociedade. Decorrente de um longo processo cultural, a
Metalurgia proporciona o relacionamento de gerações através do avanço e
conhecimento tecnológico.
A fundição sob pressão é um processo tradicionalmente utilizado nas
indústrias metal mecânicas, montadoras e de eletrodomésticos, é com certeza o
processo de fundição com desenvolvimento mais rápido (TORRE 2004). Neste
processo de fundição o metal é introduzido sob pressão no interior de um molde
metálico. É considerado um processo de precisão e uma operação repetitiva para
produção.
A partir do ponto de vista dos autores de pesquisa procuramos desenvolver
uma metodologia que aborde e evidencie a necessidade de esclarecer algumas
questões relativas à fundição sob pressão e a influencia do teor de alumínio em ligas
de zinco, demonstrando resultados que juntos compõem a estrutura do processo
metalúrgico.
Alterando o teor de alumínio em liga de zinco, analisando os resultados de
limite de resistência a ruptura e o alongamento, para que possamos comparar a
ocorrência de aspectos importantes ao processo de fundição sob pressão. A
metodologia utilizada será a comparação de ligas de zinco com teores de alumínio
de 5, 10 e 15 %, com a realização de ensaios metalográficos, químicos e mecânicos,
12
demonstrando os resultados encontrados em relação a outras ligas utilizadas em
fundição sob pressão.
Como resultado esperado, buscamos comparar os efeitos da adição de
elemento de liga alumínio com a pesquisa literária, sem perdas consideráveis das
propriedades mecânicas.
DESENVOLVIMENTO
2. Processo de Fundição sob pressão
A fundição sob pressão consiste na obtenção de peças de desenhos
complexos através da injeção a alta pressão do metal líquido até o final da
solidificação em uma matriz ou coquilha. Esta condição permite obter peças de
excelente acabamento e precisão, podendo até eliminar processos de usinagens
posteriores.
No processo de fundição sob pressão os próprios equipamentos, materiais e
procedimentos utilizados atingiram um nível de desenvolvimento muito elevado, que
constitui, para a maioria dos autores, o processo de fundição com o qual é possível
obter produtos com o maior grau de precisão, associado à mais elevada cadência de
produção, dentre todos os processos de fundição existentes. (LOURENÇO E
MOURA 2001)
No processo o molde é constituído por duas partes, um fixo e outro móvel,
que possui mecanismos de acionamento seguindo os 3 eixos principais. Estes
equipamentos possuem ainda mecanismos automáticos de desmoldagem e
possuem dispositivos de vazamento próprios, residindo aqui a grande diferença
entre os 2 tipos de máquinas mais utilizadas no processo: máquinas de câmara
quente e máquinas de câmara fria.
Neste processo o metal solidifica rapidamente na cavidade do molde e
quando está solidificado, o molde abre-se e extrai a peça quente. O molde é fechado
e o processo de injeção repete-se em ciclos.
13
2.1.
Moldes para fundição Sob Pressão
A fundição sob pressão utiliza moldes metálicos permanentes onde se
localizam as cavidades moldantes, também ditas cavidades de moldação e têm duas
variantes, uma de câmara fria, destinada aos metais de mais alta temperatura de
vazamento, como é o caso das ligas de alumínio, e outra de câmara quente
empregue em ligas de magnésio e zinco.
Figura 1 – Exemplos de moldes para fundição sob pressão. (LOURENÇO e MOURA)
O molde recebe uma força externa de origem hidráulica, para propulsionar o
metal para o interior da cavidade moldante, obtendo um cacho ou galho que contem
nele a(s) peça(s).
Um molde para fundição sob pressão é muito complexo, este é dotado de
placas porta matrizes, sistemas de arrefecimento e sistemas de controle de
acionamento. Uma parte do molde fica geralmente fixa à máquina e a outra parte
move-se hidraulicamente em conjunto com o sistema hidraulico.
14
2.2. Funcionamento da máquina de Fundição Sob pressão
As máquinas de fundição sob pressão são constituidas por dois elementos
principais. Um é responsável pela injeção do metal líquido sob pressão e o outro
responsável pela manobra de fechamento e abertura mecânica da mesma,
suportanto à temperaturas e pressão do metal fundido que logo após o resfriamento
abre e extrai através dos pinos extratores ou manualmente pelo operador as peças
injetadas.
Segundo (FERREIRA) O elemento para a manobra mecânica da matriz é de
construção similar em todos os tipos de máquinas e consiste basicamente em um
mecanismo de cilindro e êmbolo de acionamento hidráulico.
Nas máquinas pequenas de injeção, o acionamento da matriz é efetuado pelo
acionamento de alavancas articuladas.
As máquinas mais recentes possuem uma nomenclatura que é apresentada
na figura 3, no entanto podem existir algumas variações.
Figura 2 – Esquema dos elementos de uma máquina. (LOURENÇO e MOURA)
Legenda:
A – Placa impulsora;
B – Placa móvel;
C – Placa fixa;
D – Tirantes;
E – Sistema de alavancas;
F – Braço de fechamento;
G – Base da máquina;
H – Sistema de injeção;
J – Meios moldes.
15
O controle das máquinas pode ser automático, semi automático ou manual,
este se aplica em função do tipo de máquina e seu nível de automatização ou
característica da peça requerida (FERREIRA). No início do ciclo, é aplicado
desmoldante nas cavidades do molde, que tem por finalidade formar uma lamina
lubrificante para facilitar à extração do injetado, evitando a sua colagem a matriz do
molde, ao mesmo tempo proteger as matrizes dos choques térmicos e da
degradação atmosférica presente no processo de injeção sob pressão.
Os componentes das máquinas e do sistema de injeção são de ferro fundido
e de aço e ambos possuem extrema resistência para suportar as forças aplicadas
durante o processo de injeção.
O sistema de fechamento permite a movimentação da placa móvel até à
posição programada pelo preparador sendo aplicada uma elevada força no
fechamento do molde. Esta operação é efetuada com o auxilio de uma bomba
hidráulica, de um cilindro e de um sistema de alavancas denominado articulação.
Durante a operação de fechamento do molde verificam-se subidas e descidas
da pressão do sistema hidráulico. Estas variações correspondem à movimentação
do conjunto móvel.
Na prática a força de fechamento tem que ser suficientemente grande para
compensar a pressão de saída do metal. Os equipamentos mais simples atingem
valores de 250 Toneladas de força de fechamento.
Para os dois metais mais utilizados em fundição sob pressão Alumínio e
Zinco,
existem
diferentes
temperaturas
de
processo,
estas
temperaturas
acompanham as temperaturas de fusão, mais um acréscimo para manutenção pela
perda durante o ciclo, favorecendo sua utilização.
2.3. Máquina para fundição Sob Pressão por câmara quente
As máquinas de fundição sob pressão por câmara quente possuem a câmara
de enchimento mergulhada no metal fundido e o seu forno de manutenção da
materia prima é parte integrante da máquina.
Este equipamento não é usual para ligas de alumínio. Porque neste processo
o alumínio reage com o Fe provocante corrosão ativa do conjunto de injeção do
cadinho provocando vazamentos.
16
Nestes equipamentos o dispositivo de injeção, que é um pistão no interior de
uma camisa, está imerso parcialmente no metal fundido, existindo ligação física
entre o forno e o molde através do prolongamento da própria camisa. Quando o
pistão se encontra na posição mais recuada em posição superior, a camisa esta
cheia de metal líquido, que por acionamento do pistão é introduzido sob pressão no
interior da cavidade do molde, mantendo essa pressão até completa solidificação do
galho.
Tendo a completa solidificação o pistão recua, possibilitando um novo
enchimento da camisa com metal líquido. O contato do metal com a atmosfera é
mínimo, com isso eliminam os problemas de turbulência e a exposição ao ar dos
processos de vazamento clássicos que costumam arrastar impurezas presentes no
ambiente.
No entanto o contato permanente do dispositivo de injeção com o metal
líquido, diminui muito o seu tempo de vida, limitando a utilização destes
equipamentos a ligas de baixo ponto de fusão.
Figura 3 – Esquema máq. de fundição sob pressão câmara quente. (LOURENÇO e MOURA)
17
Figuras 4 – Esquema elucidativo do funcionamento de máquinas de câmara quente.
(LOURENÇO e MOURA)
2.4. Máquina para fundição Sob Pressão por câmara Fria
As máquinas de câmara fria possuem um cilindro e um êmbolo denominado
pistão de injeção, localizados no plano horizontal e acionado hidraulicamente.
Nas máquinas de câmara fria a principal característica é o fato da camisa e o
pistão não estarem em contato direto e permanente com o metal fundido. Existe um
forno independente no qual o metal líquido é mantido à temperatura de manutenção
e transportado através de uma concha metálica. Com alimentação manual ou
automatizada para a zona de injeção, esta que acoplada à placa fixa do molde por
um embolo denominado de bucha de injeção.
Com este tipo de máquina pode-se utilizar o metal em estado líquido ou
pastoso e por este fato, reduz-se as perdas por oxidação e o desgaste das matrizes.
A sequência da operação apresenta os mesmos princípios de funcionamento
descritos para o processo fundição sob pressão em câmara quente.
18
Figura 5 – Esquema de máq. fundição sob pressão em câmara fria. (LOURENÇO e MOURA)
Figura 6 – Esquema elucidativo do funcionamento de câmara fria. (LOURENÇO e MOURA)
19
Ocorre com maior frequência o aparecimento de porosidade nos fundidos,
devido ao aprisionamento de ar durante o enchimento e a solidificação, por causa da
turbulência e fases existentes no processo deste tipo de máquina.
Como vantagem a câmara fria possibilita a injeção de ligas com ponto de
fusão mais elevado, sendo as mais utilizadas industrialmente às ligas de Al e Cu.
2.5. Vantagens apresentadas pela fundição sob pressão.
A grande vantagem do processo é a rapidez na operação que resulta em
redução de custos de produção, possibilita fundir peças com seções finas e a
eliminação de super dimensionamento de usinagem, o que resulta na economia de
material. Porém estas vantagens, não se aplicam a produções em pequenas séries
ou lotes, nem em locais desfavoráveis dimensionalmente devido a tolerâncias
restritas.
Devido à pressão exercida pela máquina sobre o metal fundido contido no
molde é possível a obtenção de peças isentas de rechupes, mas o problema de
evacuação do ar presente na cavidade do molde apresenta maiores dificuldades que
em outros métodos conhecidos de fundição.
Como efeito, à rapidez de penetração do metal fundido no molde, o ar que
não foi evacuado fica retido na peça e faz surgir pequenas porosidades no interior
das mesmas, que reduzem a sua resistência mecânica.
Devido à dificuldade de obter peças com uma densidade completamente
uniforme, este processo possibilita inclusões de ar, gases e impurezas que
permanecem no seu interior, diferentemente de outros processos em que existem
áreas de descanso que evitam estes defeitos.
Quanto ao rápido resfriamento o exterior das peças pode apresentar uma
estrutura de grão fino, não importando a existência de porosidades. Contudo é
necessário evitar a usinagem externa podendo facilitar o aparecimento da
porosidade. A execução de ensaios que garantam o comportamento estanque em
casos de peças que sejam submetidas a grandes pressões é necessária.
Garantir a obtenção de todos os orifícios através dos machos evitando a
possibilidade de que fiquem descobertas as zonas porosas que tornariam as peças
20
defeituosas, analisando estas regiões porosas e introduzindo mecanismos que
possam locar esta porosidade em regiões menos exercidas mecanicamente.
2.6. Aplicação de diferentes tipos de máquinas de fundição sob
pressão
As máquinas de câmara quente são utilizadas normalmente para a fundição
de ligas de chumbo, estanho e zinco, não podendo em definitivo serem utilizadas
para a fundição de alumínio. Devido à ação de desgaste que este provoca sobre o
ferro do cilindro e do êmbolo, reduzindo o ajuste de ambos e ocasionando na perda
de pressão.
Este desgaste nas partes de ferro, além de provocar a perda de pressão,
pode ocasionar o derramamento de metal líquido através da embocadura da câmara
de pressão e da boca da matriz, podendo ocorrer graves acidentes, portanto, isto
explica o motivo das mesmas estar caindo em desuso.
Já as maquinas de câmara fria podem utilizar quaisquer tipos de ligas, mas
não possuem a vantagem em relação às máquinas de êmbolo, pois necessitam de
uma alimentação contínua automática de metal fundido. Nestas máquinas não existe
o perigo de contaminação da liga com ferro, devido ao tempo de contato muito curto
e não contínuo.
Outra característica é a possibilidade de obter grandes pressões e a
confecção de peças complexas de paredes muito finas, mas que podem ficar
incompletas devido à rápida solidificação.
O trabalho a alta pressão, permite o uso a temperaturas mais baixas, o que é
ideal para as ligas leves, cobre e magnésio e também ligas de zinco em que o
conteúdo de ferro deve ser mínimo.
São obtidas peças homogêneas de densidade uniforme, sem porosidades e
de boas características mecânicas.
21
2.7.
Ligas empregadas na fundição sob pressão.
As ligas na fundição sob pressão possibilitam utilizar diversas ligas metálicas
de não ferrosos, compostas a base de chumbo e zinco, cobre e de ligas leves de
alumínio e magnésio.
O critério de escolha da liga a ser utilizada deve considerar o custo na
utilização das matrizes do molde, que dependendo da temperatura de fusão, podem
ser construídas de materiais mais econômicos e que muitas vezes tem praticamente
duração ilimitada.
Pelas características especiais de processo, é mais adequado ser utilizado
em ligas de baixo ponto de fusão, o que permite aumentar a durabilidade das
matrizes. Outra característica principal que pode influenciar no preenchimento das
matrizes é a fluidez do metal líquido sem a necessidade de utilizar pressões muito
elevadas.
A concentração deve ser a menor possível, a fim de evitar a formação de
gretas de contração nas peças durante o período compreendido entre a fusão e a
retirada das mesmas da matriz. Porém, ligas de baixa resistência a quente não
apresentam bons resultados, não sendo recomendado sofrer compressão na matriz
ou partes da maquina em contato com o metal fundido, pois devido a baixa
resistência pode sofrer deformação.
2.8.
Classificação das ligas
As ligas são classificadas em três grupos distintos:
• Ligas de baixo ponto de fusão;
• Ligas leves;
• Ligas de alto ponto de fusão a base de cobre.
2.8.1. Ligas de baixo ponto de fusão
Constituídas de zinco, chumbo e estanho tidos como metais de base, sua
temperatura de fusão é inferior a 450° C, possibili tando resistência ao desgaste e
vida útil. Possuem ainda a composição de 10% a 12% de antimônio para se obter
dureza e 2% de estanho para melhorar a fluidez.
22
Com excelente resistência à corrosão, facilidade de usinagem e resistência ao
atrito, é utilizada em grande quantidade em elementos decorativos para automóveis
e objetos diversos, placas de bateria. Porém, devido ao alto custo do estanho, foi
necessária a substituição por ligas à base de zinco e alumínio.
As ligas de chumbo e estanho são fundidas em máquinas de câmara a
quente, de êmbolo ou colo de cisne e que trabalham a baixas pressões. Já as ligas
de zinco são muito mais utilizadas devido ao baixo custo, temperatura de fusão mais
baixa (400° C à 440° C), possuem boa fluidez e cara cterísticas de propriedades
mecânicas superiores (com exceção se comparado as ligas de cobre), além de
excelente resistência a corrosão superficial devido a formação de uma camada
passivante de carbonato de zinco CO3Zn, são idéias para a fabricação de ligas tipo
Zamak.
Segundo (TORRE) um fator importante é a resistência ao processo de
corrosão inter cristalina, conhecido por envelhecimento, que danifica a superfície das
peças. Esta proteção é ainda melhor com a adição de magnésio, alumínio ou
alumínio e cobre em conjuntos. O alumínio possui a característica de diminuir a ação
corrosiva sobre partes de ferro das máquinas, aumentando a durabilidade das
mesmas, porém teores acima de 5% de alumínio podem tornar a liga frágil.
Quanto ao cobre pode aumentar a dureza e a resistência mecânica, além da
proteção contra a corrosão.
As composições das ligas conhecidas como Zamak 3 e 5 são apresentadas à
seguir:
Zamak 3
Zamak 5
(SAE-903)
(SAE-905)
4%
4%
> que 0,10%
1%
Resistência à tração
29 kg/mm²
34 kg/mm²
Dureza Brinell
80 kg/mm²
90 kg/mm²
Estiramento
10%
7,5%
Densidade
6,56
6,68
Classificação
Alumínio
Cobre
Referencia: pag. 216 Manual Prático de Fundição (TORRE)
23
Para a fundição destas ligas as máquinas ideais são as de êmbolo com
câmara a quente, com pressão de aproximada de 100 kg/cm², dispensando o uso
das máquinas de “colo de cisne”.
2.8.2. Ligas leves
Entre as ligas a base de alumínio e magnésio, as mais utilizadas são as de
alto teor de silício, devido a sua boa fluidez e pouca contração, principalmente as
que contenham:
• 1,5% de cobre e 11,5% de Silício;
• 3,5% de Cobre e 9,5% de Silício.
Devido à alta temperatura de fusão e o fato do alumínio atacar o ferro, aplicase a fundição em câmaras frias, evitando-se a contaminação do alumínio pelo ferro
durante a fusão em crisol de grafite. Já a liga de magnésio, pelo fato da fusão a
baixa temperatura, reduz o risco da oxidação, uma característica vantajosa sobre
outros métodos.
2.8.3. Ligas de alto ponto de fusão a base de cobre
Sendo pouco utilizada na fundição sob pressão, estas ligas apresentam as
melhores características e propriedades mecânicas.
Devido à alta temperatura de fusão de 900°C, as mat rizes utilizadas são de
alto custo, devem resistir a altas temperaturas, sendo fabricadas em aços especiais.
Devido a estas características tornam difícil a sua usinabilidade e limitando a sua
utilização, exige também a capacidade de altas pressões da máquina que deve ser
de aproximadamente 2.000 kg/cm², tornando inviável o processo para utilização
destas ligas.
A liga de latão 60/40, isto é, que contenham 60% de cobre e 40% de zinco,
mais conhecida como metal Muntz, fundida à 900°C, é introduzida na máquina no
estado pastoso, porém com uma temperatura controlada, com um resfriamento
constante de 350° C à água, sendo a mais utilizada.
Para a fusão destas ligas são exclusivamente utilizadas máquinas de câmara
fria, introduzindo o metal pastoso sob elevadas pressões, por trabalharem em menor
24
temperatura, reduzindo as perdas por oxidação. As peças possuem boa resistência
mecânica e à corrosão e são aplicadas em válvulas, peças resistentes à água do
mar, entre outros.
3. O Zinco
O Zinco puro não possui aplicação comercial, mas ao adicionarmos
elementos de liga obtemos as Ligas de zinco que são usadas na forma de
revestimentos, peças fundidas, chapas laminadas, trefilados, forjados e extrusões.
Na sua forma mais pura, o zinco está disponível como placas, lingotes, tiras,
grânulos e poeira que combinado com o oxigênio na forma de óxido de zinco. O
Lingote de Zinco é produzido em três classes de pureza, os limites de impureza são
muito importantes quando o zinco é utilizado para fins de liga. Exceder os limites de
impureza resulta em qualidades ruins de propriedades mecânicas e corrosão. Tiras
de zinco puro é usado principalmente para as adições aos banhos de eletro
galvanização, os grânulos de zinco são utilizados em baterias e possibilita maior
resistência à corrosão. Óxido de zinco é utilizado como pigmento em primers e tinta
de acabamento, como agente redutor em processos químicos ou aditivo comum na
produção de produtos de borracha.
3.1. ZINCO E SUAS LIGAS
São comercialmente utilizadas devido vasta capacidade de adaptação em
função das exisgencias mecanicas e propriedades envolvidas em função do
funcional e caracteristicas técnicas exigidas.
Diversas pesquisas estão sendo desenvolvida para fundição sob pressão em
camara quente, por apresentarem propriedades fisicas e mecanicas que lhe
permitam competir com ligas de cobre, aluminio e ferros fundidos cinzentos, em
diversas aplicações. Em particular tem obtido sucesso em substituição a buchas de
bronze submetidas a altas cargas e baixas velocidades.
Uma das características mais importantes do zinco é a sua resistência à
corrosão em qualquer ambiente atmosférico (devido à proteção de um óxido protetor
à temperatura ambiente), que permite que este seja utilizado na proteção contra
corrosão, através da aplicação por diferentes processos de revestimento de peças e
25
estruturas de aço, além de ferros fundidos e ligas de alumínio. Por exemplo, para
proteção contra corrosão do aço com o uso de zinco, pode ser através dos seguintes
processos:
a) Aplicação de recobrimentos metálicos;
b) Emprego de inibidores de corrosão nos meios ambientes;
c) Utilização de ligas metálicas mais resistentes à corrosão;
d) Adoção de proteção catódica.
O zinco não é utilizado para fins estruturais devido à sua baixa resistência
mecânica. Entretanto, algumas ligas de zinco podem ter resistência mecânica
suficientemente elevada, para algumas aplicações específicas. A ductilidade do
zinco, acima de 100ºC, é bastante elevada, permitindo, assim, que a conformação
plástica seja relativamente fácil na obtenção de formas laminadas ou extrudadas.
Pode ser encontrado na forma de placas, lingotes, chapas, grãos e pós.
O ponto de fusão do zinco é baixo e, associado a outras características,
permite a sua utilização em processos de fundição sob pressão em matrizes
metálicas; assim, o zinco é utilizado na forma de uma liga com alumínio e outros
elementos. As propriedades físicas do elemento zinco estão mostradas na Tabela 1.
Propriedade
Temperatura
Valor
Unidade
30
--
--
Massa atômica
65,38
--
--
Densidade
7,13
Mg/m3
25ºC
Ponto de fusão
420
ºC
--
Calor específico
382
J/kg.K
20ºC
Calor latente de fusão
101
KJ/kg
--
Condutibilidade térmica
113
W/m.K
25ºC
Resistividade elétrica
58,9
nΩ.m
20ºC
28
% IACS
--
Número atômico
Condutibilidade elétrica (volumétrica)
Estrutura cristalina
mensurada
Hexagonal compacta (HC)
Tabela 1 – Propriedades físicas do elemento zinco. (BRESCIANI FILHO)
26
3.2. Classificação e designação
O zinco e suas ligas podem ser classificados em duas categorias: zinco e
ligas de zinco trabalhadas; e ligas de zinco para fundição. A Tabela 2 mostra os
nomes e a designação do zinco e suas ligas, de acordo com as categorias.
Designação
Composição
Zinco e ligas de zinco trabalhada
Zinco laminado comercial
Zn – 0,08 Pb
Zinco laminado comercial
Zn – 0,06 Pb – 0,06 Cd
Zinco laminado comercial
Zn – 0,3 Pb – 0,06 Cd
Zinco laminado endurecido com cobre
Zn – 1 Cu
Liga de zinco laminada
Zn – 1 Cu – 0,010 Mg
Liga de zinco – cobre - titânio
Zn – 0,8 Cu – 0,15 Ti
Liga de zinco superplástica
--
Ligas de zinco para fundição por pressão em matriz
Zamac 3
Liga de zinco Zn – 4 Al – 0,04 Mg
Zamac 5
Liga de zinco Zn – 4 Al – 1 Cu – 0,04 Mg
Ligas de zinco para fundição por gravidade
Liga de zinco
Zn – 4,75 Al – 0,25 Cu
Liga de zinco
Zn – 5,5 Al
Liga de zinco
Zn – 11 Al
Ilzro 16
Zn – 1,2 Cu
Tabela 2 – Classificação e designação para o zinco e suas ligas. (BRESCIANI FILHO)
27
Para as diversas aplicações – ligas para laminação e para fundição, elemento
de liga dos latões e material de revestimento protetor contra corrosão, deve-se
utilizar os diferentes tipos de zinco como matéria-prima, de acordo com a
designação e constituição indicada na Tabela 3, a partir das especificações exigidas
do produto final.
ZINCO
Extrafino
Fino
Comum
Zn (mín.)
99,990
99,90
98,0
Pb
0,003
0,03
1,4
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)
Fe (máx.)
Cd
Sn
0,003
0,003
0,001
0,02
0,02
-0,05
0,20
--
Al *
--0,05
Tabela 3 - Obs.: * aplicação em laminados de zinco ou latão Al: 0,005% máx. (BRESCIANI FILHO)
O Zinco também pode ser classificado em duas famílias: zinco primário e
zinco secundário. O zinco primário representa 80% da produção atual, e o seu
principal processo de produção é o eletrolítico, que consiste na dissolução do óxido
ustulado em ácido sulfúrico, seguido de um processo de eletrólise. Onde o eletrólito,
rico em zinco, entra em células eletrolíticas com ânodos de ligas de chumbo e
cátodos de alumínio. O zinco se deposita neste último, sendo periodicamente
retirado para posterior fusão e transformação em placas. O zinco secundário, por
sua vez, é reciclado e representa 20% do total atualmente produzido.
3.3. Constituição e propriedades das ligas de zinco
As ligas de zinco utilizadas na forma de produtos semimanufaturados
(chapas, tiras, arames) apresentam características de fabricação de elevada
conformabilidade plástica (via estampagem, extrusão, trefilação, etc.), de razoável
soldabilidade (em geral, soldagem branca com metais de baixo ponto de fusão) e de
elevada resistência à corrosão.
As ligas de zinco convencionais possuem baixa resistência à fluência, e para
aplicações onde essa propriedade de resistência é importante os elementos de liga
indicados são o cobre e o titânio. O chumbo é adicionado nas ligas convencionais
porque este elemento reduz a velocidade de corrosão em aplicações como, por
exemplo, nos recipientes de pilhas elétricas. O chumbo não entra praticamente em
solução com o zinco e permanece, na solidificação, nos contornos de grãos.
28
O cádmio entra sem solução sólida no zinco elevando a temperatura de
recristalização e a resistência mecânica e de fluência. Os elementos contidos como
impurezas podem causar efeitos adversos quando ultrapassam o limite especificado;
o ferro reduz a ductilidade, o estanho causa fragilidade a quente e o alumínio
promove a corrosão intergranular; e ainda o cádmio e cobre, apesar de adicionados
em algumas ligas puras para elevar a resistência mecânica, causam redução da
ductilidade e o cobre particularmente provoca redução da resistência à corrosão.
As propriedades mecânicas dessas ligas são determinadas a partir de corpos
de prova retirados no sentido longitudinal e transversal da direção de trabalho
mecânico (laminação), para as condições de trabalho mecânico a quente e a frio e
para uma determinada espessura de trabalho (laminado). A liga superplástica
apresenta, na condição laminada, um limite de resistência à tração de 300 MPa e um
alongamento de 27%, e na condição recozida (315ºC, resfriada ao ar) 400 MPa e
11% respectivamente.
3.4. Constituição e propriedades das ligas de zinco para fundição
As ligas de zinco usadas industrialmente para fundição sob pressão são as
comercialmente chamadas de Zamak. São ligas de zinco com alumínio, cobre e
magnésio. De todas as ligas não ferrosas para fundição, as ligas de zinco são as
que possuem maior campo de utilização. Devido as suas particulares propriedades
físicas, mecânicas e de fundibilidade, associadas a uma capacidade de poderem ser
facilmente revestidas por eletrodeposição (cobreação, niquelação e cromação), ou
por pinturas com tintas e vernizes.
29
depts.washington.edu
Os seus baixos pontos de fusão (aproximadamente 385°C) conferem ao
molde permanente longa vida, permitindo a produção de grandes séries de peças
fundidas. A grande fluidez dessas ligas facilita a obtenção de peças de formato
complexo e de paredes finas. Podem ser usadas também para a fundição por
gravidade em moldes permanentes. São metais de fácil usinagem. As duas ligas de
uso comum têm as suas composições indicadas na Tabela 4.
Composição química
Ligas
Cu
Zamak 3
3,5 – 4,3
---
Zamak 5
3,5 – 4,3
0,75 –
1,25
Zamak 8
8,2 – 8,8
0,8 – 1,3
Zamak 12
10,8 –
11,5
25,5 –
28,0
Zamak 27
Impurezas permitidas
Elementos de liga (% limite)
Al
Mg
0,02 –
0,05
0,03 –
0,08
0,02 –
0,03
Zn
Fe
Pb
Sn
Cd
Cu
Outros
Dif.
0,100
0,005
0,003
0,004
0,20
(*)
Dif.
0,100
0,005
0,003
0,004
Dif.
0,065
0,005
0,002
0,005
0,5 – 1,2
0,025
Dif.
0,065
0,0065
0,002
0,005
2,0 –
2,55
0,012 –
0,020
Dif.
0,072
0,005
0,002
0,005
---------
(*)
(*)
(*)
(*)
Tabela 4 - Obs.: (*)Teores máximos de outros elementos: 0,02% Ni, 0,02% Cr, O,o35% Si e 0,5% Mn.
(BRESCIANI FILHO)
O fator determinante da grande estabilidade das características mecânicas e
dimensionais das peças fundidas sob pressão em ligas de zinco é a pureza dos
componentes da liga. O zinco utilizado no preparo da liga é do tipo "special high
grade", com teor mínimo de 99,97%.
Os elementos de liga apresentam os seguintes efeitos:
30
Alumínio - é o elemento adicionado em maior teor, por aumentar
sensivelmente a resistência e a dureza da liga, bem como sua fluidez, permitindo a
obtenção de peças fundidas de formatos complicados. Outra vantagem dessa
adição é de diminuir a ação corrosiva do zinco líquido sobre as partes de aço da
máquina e das ferramentas de injeção. Entretanto, se o teor do alumínio for superior
a 4,5%, a liga aproxima-se do ponto eutético (a 5% de alumínio), reduzindo-se sua
resistência ao choque. Nessas condições, a liga é frágil, podendo fissurar durante as
operações de endireitamento ou conformação. Por outro lado, se o teor do alumínio
for inferior a 3,5%, a liga perde resistência e dureza, decrescendo também sua
fundibilidade, o que torna difícil a obtenção de peças de formato complexo e de
paredes finas.
Magnésio - apesar do teor de magnésio especificado ser relativamente
pequeno, este metal tem grande influência nas propriedades das ligas de zinco para
fundição sob pressão. Sendo o magnésio mais eletronegativo que o zinco, inibe a
corrosão intergranular da liga e, associando-se ao eutético do chumbo, cádmio e
estanho nos contornos dos grãos reduz a diferença de potencial entre o zinco e o
eutético. Entretanto, é aconselhável manter o teor de magnésio abaixo de 0,06%
pois este metal tende a provocar "fragilidade a quente" na peça fundida,
particularmente quando esta é de formato complicado e não existe espaço suficiente
na ferramenta para permitir a sua contração.
Cobre - A adição de cobre aumenta a resistência à corrosão, a resistência
mecânica e a dureza da liga. Entretanto, o teor não deve exceder a 1,25%, pois,
acima deste, a liga torna-se instável por ficar sujeita ao "envelhecimento", reduzindose sensivelmente, sua resistência ao choque. Um teor de cobre acima de 0,6% já
provoca o fenômeno da precipitação, o qual afeta a estabilidade dimensional da
peça. Apesar do Zamak 5 ter o teor de cobre fixado em 1%, as mudanças
dimensionais não são grandes e ocorrem poucas semanas após a fundição; a
menos que a peça seja relativamente grande ou requeira tolerâncias dimensionais
muito estreitas, as alterações dimensionais podem ser consideradas desprezíveis.
Para aplicações que exigem alta precisão dimensional da peça, a liga zamak 3,
isenta de cobre, deve ser usada.
31
Microestrutura - a liga zamak 3, contendo 4% de alumínio, observa-se que a
estrutura da liga é constituída, após completa a solidificação, por cristais
(hexagonais) primários da fase rica em zinco (98,86% Zn), envolvidos por uma
matriz eutética, consistindo dessa mesma fase e de uma segunda fase (cristais
cúbicos) rica em alumínio (17,2% Al). No resfriamento da liga, essas duas fases
precipitam o excesso do soluto e, a 272ºC, suas composições são, respectivamente,
99,3% Zn - 0,70% Al e 78% Zn - 22% Al. Nessa temperatura a fase rica em alumínio
sofre uma transformação eutetóide, decompondo-se em duas fases de composição
99,3% Zn - 0,70% Al e 31,6% Zn - 68,4% Al, respectivamente. A fase rica em
alumínio do eutetóide resfria-se até a temperatura ambiente, retendo um excesso de
zinco em solução, porém a fase rica em zinco e os cristais primários ricos em zinco
continuam a precipitar o alumínio até a temperatura ambiente. Por cerca de três
anos, até que permaneça em solução 0,04% de alumínio. Apesar das estruturas das
ligas diferirem em função da variação das quantidades dos elementos de liga
presentes, a estrutura básica, descrita acima, permanece praticamente inalterada.
Impurezas- as impurezas chumbo, cádmio e estanho estão invariavelmente
associados ao minério de zinco e, dessa forma, permanecem em certa quantidade
no metal zinco. Entretanto, desde que mantidas dentro dos limites especificados, é
possível obter um metal de alta qualidade, adequado à fabricação de ligas para
fundição sob pressão. Essas impurezas são metais de alta densidade e baixo ponto
de fusão; praticamente, não formam soluções sólidas com o zinco, criando, porém,
eutéticos com o zinco de muito baixo ponto de fusão. Portanto, se as impurezas
chumbo, cádmio e estanho estiverem presentes na liga, serão as últimas a se
solidificarem, segregando-se nos contornos dos grãos. Essa rede de metais,
relativamente mais nobres que o zinco, ao longo dos contornos dos grãos do zinco
(que contém também alumínio ligado), produz um grande número de células
eletroquimicamente ativas, quando a superfície do metal entra em contato com a
umidade ambiente. Então, o zinco, mais eletronegativo e imediatamente adjacente
ao contorno do grão, é atacado dando origem à corrosão intergranular. A corrosão
intergranular, nesse caso, inicia na superfície da peça fundida, penetrando, com o
decorrer do tempo, cada vez mais profundamente e seguindo os contornos dos
grãos, até que toda a peça seja corroída.
32
Podemos citar outros metais que provocam efeito semelhante, tais como:
tálio, índio, bismuto, mercúrio e entre outros, usualmente não estão presentes como
impurezas. O chumbo, o estanho, particularmente, o cádmio, acima dos teores
especificados, provocam também "fragilidade a quente" na peça fundida. O ferro é
um elemento indesejável nas ligas de zinco para fundição sob pressão, porém
pequenos teores (de até 0,1%) têm pouca influência nas propriedades mecânicas e
nas características de envelhecimento. Com um teor de ferro mais elevado, os
compostos intermetálicos ferro - alumínio (FeAl e Fe Al ), que, se não retirados na
3
2
5
escumagem do banho no cadinho, segregam na peça fundida e criam os chamados
"pontos duros", causadores de dificuldades na usinagem.
3.5. Resistência à corrosão das ligas de zinco
As ligas Zamak da mesma forma que o zinco puro, possui elevada resistência
à corrosão por agentes atmosféricos, (em ambiente de umidade não muito elevado),
hidrocarbonetos (gasolina, óleos), álcool, tricloroetileno e outros. Entretanto, são
atacadas por bases fortes e ácidos. As peças de zamak não devem também manter
contato constante com vapores d'água, pois, em longo prazo, podem sofrer um
processo corrosivo. No caso onde intervém a água em circuitos fechados, a adição
de inibidores pode proporcionar bons resultados; por exemplo, a adição de 0,1 a
0,3% de bicromato de sódio ou 1% de boro à água reduz sensivelmente a
suscetibilidade do Zamak à corrosão.
3.6. Propriedades mecânicas das ligas de zinco
As propriedades mecânicas encontram-se na Tabela 5.
Material
Zamak 3
Zamak 5
Zamak 8
Zamak 12
Zamak 27
Propriedades mecânicas
Limite de resistência à tração
Alongamento (%)
MPa
283
10
328
7
374
8
404
1,5
426
2,5
Tabela 5 – Propriedades mecânicas do zamak 3, 5, 8, 12 e 27 a temperatura ambiente. (TORRE)
33
As propriedades de tração (limite de resistência e alongamento) foram
determinadas em corpos de prova de seção circular de 6 mm, fundidos sob pressão
e ensaiados no estado bruto de fusão. O comprimento calibrado para a
determinação do alongamento é de 50 mm. As ligas de zinco podem ser utilizadas
em baixas temperaturas, pois suas propriedades mecânicas são alteradas da
mesma forma que ocorre em outros materiais; ou seja, aumentam o limite de
resistência e a dureza, enquanto diminuem o alongamento e a resistência ao
choque. Deve considerar que essas variações de propriedades são reversíveis,
adquirindo o material as mesmas propriedades originais quando a temperatura
retorna ao seu valor inicial. Por outro lado, quando a peça fundida em zamak deve
trabalhar em temperaturas superiores a 90°C, devem- se prever, cuidadosamente, as
solicitações mecânicas aplicadas, pois poderão ocorrer deformações plásticas (e,
portanto, irreversível), devido ao fenômeno de fluência.
3.7. Usos típicos das ligas de zinco
O Zamak 3 é recomendado para as peças que devem apresentar mais
estabilidade dimensional, contudo essa liga apresenta maior resistência à corrosão.
O Zamak 5, por sua vez, apresenta maior dureza e resistência mecânica, e
consequentemente maior resistência ao desgaste e à fluência; a usinabilidade dessa
liga é também maior do que a primeira.
A película formada pela oxidação superficial nessas ligas tem características
porosas, o que contribui para reter lubrificantes e elevar a resistência do desgaste
em peças móveis.
As principais áreas de aplicação, com ou sem revestimento superficial dependendo
do
emprego
especifico,
são:
componentes
de
automóveis
(carcaças
de
instrumentos, do alternador e de bombas; maçanetas, buchas e engrenagens de
instrumentos, tampas do tanque, etc.), componentes de aparelhos eletrodomésticos
(carcaças de motores, engrenagens, dobradiças, etc.), componentes de máquinas
de escritório e de computação, brinquedos e ferragens de construção civil.
34
3.8. Ligas de Zinco para Fundição
Ligas de zinco são utilizadas extensivamente em gravidade e fundidos sob
pressão. Quando usado como ligas de fundição em geral, as ligas de zinco podem
ser convertidas usando processos tais como fundição de alta pressão, baixa
pressão, em areia, em coquilha (ferro, grafite, ou moldes de gesso). O investimento
de fundição (de cera perdida), fundição contínua ou semi contínua, e fundição
centrífuga. Um novo processo envolve a fundição semi sólido, de que várias técnicas
podem ser empregadas. Um tratamento detalhado dos processos de fundição de
ligas de zinco.
A corrosão não é de interesse para a maioria das aplicações. No entanto,
para a fundição sob moderada a grave ataque corrosivo, alguma perda de
propriedades é de se esperar, à longo prazo o envelhecimento pode causar alguma
pequena perda de propriedades, os efeitos variam de liga para liga e dependem do
método de fundição utilizado.
As ligas de zinco têm sido utilizadas para fundição por mais de 70 anos. Até
recentemente, todas as ligas de zinco foram baseadas em composições hipo
eutéticas, ou seja, que contenham menor teor de alumínio (cerca de até 4,0% Al), do
que as composições eutéticas de Al com cerca de 5,0%. Recentemente uma família
de hiper eutética de zinco alumínio, ligas com teores maiores de alumínio (> 5,0%
Al), tornaram-se amplamente utilizados como ligas de fundição. Estas ligas foram
originalmente fornecidas como ligas de fundição por gravidade. Portanto possuem
maior resistência do que as ligas de zinco hipo eutética.
Estas ligas de fundição de zinco têm microestruturas dendríticas/eutética. As
ligas hipo eutéticas solidificam em dendritas ricas em zinco (η), enquanto que as
ligas de alumínio hiper eutéticas solidificam em dendritas ricas em alumínio α. A ZA8 e ZA-12 são ligas que solidificam com dendritas β, enquanto ZA-27 solidificam com
dendritas α. É extremamente importante que todas as ligas de zinco-alumínio de
fundição ser cuidadosamente tratado para evitar a captação excessiva de elementos
de impureza prejudiciais, tais como chumbo, cádmio, estanho e ferro, entre outros.
Contaminação cruzada causada pela fusão das ligas em fornos usados para a
fundição de cobre e ligas de alumínio, ou de ferro são particularmente problemáticos;
porque estas ligas contêm elementos prejudiciais para as ligas de zinco.
35
As Ligas de zinco têm ponto de fusão baixo, requerem entrada de calor
relativamente baixo, não requerem atmosferas fundentes ou de proteção, não
poluente, o último é uma vantagem muito importante. A taxa de refrigeração rápida
inerentes aos fundidos de zinco resultam em propriedades menores e alterações
dimensionais com o tempo, embora isso raramente seja um problema, um
tratamento térmico de estabilização pode ser aplicado antes de serviço se rígidas
tolerâncias dimensionais devem ser cumpridos. Quanto maior a temperatura de
tratamento térmico, menor será o tempo de estabilização necessária; 100 ° C (212 °
F) é um limite prático para evitar bolhas de fundição ou outros problemas. Um
tratamento comum consiste em 3-6 h a 100 ° C (212 ° F), seguido de resfriamento
do ar. O tempo se estende para 10 a 20 h para uma temperatura de tratamento de
70 ° C (158 ° F).
Por causa de sua alta fluidez, ligas de zinco pode ser convertido em paredes muito
mais finas o que as ligas vazadas e estas podem ser fundidas com tolerâncias
dimensionais mais apertadas. Estas Ligas de zinco permitem o uso de ângulos de
inclinação muito baixa, em alguns casos, um ângulo de inclinação zero também é
possível.
Ligas ZA 2 tem maior resistência à tração, resistência à fluência, e dureza de
todas as ligas da série Zamak hipo eutéticas de ligas de fundição. O teor de cobre
de alta (3,0% Cu) faz com que alguma instabilidade dimensional e leva a uma
expansão líquida de (0,0014%), após 20 anos. Ela também causa alguma perda de
resistência ao impacto e ductilidade. Na liga ZA 2 observamos propriedades
relativamente usuais.
Ligas ZA 3 é o mais amplamente utilizado como liga de fundição nos Estados
Unidos. Ele fornece a melhor combinação global de fluidez, força, estabilidade
dimensional, facilidade de acabamento e custo.
Ligas ZA 5 liga produz propriedades mecânicas otimizadas em relação a liga
nº 3. Contudo, estas melhorias nas propriedades vêm à custa de ductilidade e
deformação a operações como rebites, estampagem ou cravação deve ser feito com
cuidados adicionais. A resistência à fluência da liga n º 5 é apenas a segunda em
relação a de nº 2 de liga leve entre as ligas hipoeutéticas.
Ligas ZA 7 liga é essencialmente uma versão de alta pureza de liga No.
3. Devido à sua menor teor de magnésio, a n º 7 tem liga fusibilidade ainda melhor
36
do que liga No. 3, permitindo uma excelente reprodução de detalhes da superfície de
peças fundidas. Esta liga tem a maior ductilidade entre as ligas hipoeutéticas.
Ligas ZA 8 é o único membro das ligas hipereutéticas que pode ser câmara
quente fundido juntamente com as ligas hipoeutéticas. É equivalente a segunda liga
em muitos aspectos, mas a ZA 8 tem maior resistência a tração, fadiga e fluência, é
mais estável dimensionalmente e tem menor densidade. A liga ZA 8 fundida pode
ser facilmente trabalhada, combinando assim a sua alta resistência estrutural, com
excelente aparência.
Ligas ZA 12 esta liga tem fluidez muito boa em câmara fria máquinas de
fundição. É menor na densidade de todas as ligas de zinco, exceto ZA 27, e é
frequentemente especificado para a fundição, que deve combinar elenco de
qualidade com um ótimo desempenho. A qualidade de chapeamento da ZA 12 é
menor do que a de ZA 8, mas tem excelente e tendo propriedades de desgaste.
Ligas ZA 27 desenvolvem melhor suas propriedades quando é lançada em
areia. No entanto, cuidados devem ser tomados ao produzir seções pesadas com
paredes que garantam solidez e encolhimento máximo. O encolhimento inferior,
causada pela segregação da gravidade torna esta fase rica em alumínio durante a
solidificação, causando uma rugosidade na superfície, favorecendo o arraste do
zinco fundido. Tanto uma redução no encolhimento de baixa solidez em um fundido
pode ser assegurada quando são usados para promover a solidificação direcional
e aumentar a taxa de solidificação. A adição de elementos de ligas (terras
raras) também tem sido relatada para reduzir o encolhimento de baixa solidez. Em
uma fundição
por
gravidade, a
ZA
27 produz ductilidade
e
propriedades de
resistência ao impacto muito maior do que aqueles encontrados em fundidos
convencionais.
Com excelente relação propriedades de desgaste, demonstrando a melhor
resistência de
amortecimento de
qualquer liga
de
zinco. Embora
seja muito
raramente necessário, a um tratamento térmico simples de 3 horas a 320 °C (608 °
F), seguido de resfriamento do forno, pode aumentar a ductilidade e resistência ao
impacto da ZA 27 fundido. A estabilidade dimensional é reforçada por um tratamento
térmico de estabilização de 12 horas a 250 ° C (482 ° F), seguido de resfriamento do
forno.
37
4. OBJETIVO GERAL
Comprovar a influencia do teor de alumínio em liga de zinco através de ensaio
mecânico.
4.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Alterar o teor de alumínio em liga de zinco;
Executar ensaio mecânico universal de tração;
Comparar o alongamento e limite de resistência a ruptura com ligas já
conhecidas.
38
5. PROCESSOS E ENSAIOS
5.1. Adições de Aluminio
A Adição de Aluminio é realizada, usualmente em temperaturas que variam
de 660 a 780° C, de acordo com a geometria, a profu ndidade da camada e
características dos componentes usuais requeridos.
O processo consiste na introdução de Aluminio, sendo oriundo de grânulos de
alumínio fino (99,9 %), introduzido diretamente no cadinho da máquina injetora com
temperatura controlada. No caso da adição de alumínio a medida que se é
solubilizada através de mistura por agitação do banho, o tempo e a temperatura são
responsáveis pela homogeneidade da liga. A verificação visual de fluidez e aspecto
aluminado da liga são fatores importantes para uma constatação de uma absorção
do alumínio na matriz de zinco.
A introdução de alumínio confere as peças injetadas algumas características
que as diferem daquelas apenas com liga inicial Zamak 5 são esperados:
Redução de propriedade mecânica;
Maior fluidez;
Aumento do alongamento.
Embora seja esperado que fatores de tempo e rendimento possam ser
variáveis de processo que influenciem no objeto de estudo, não localizamos
referências que sustentem estes fatores.
Tempo de Solubilização;
Rendimento da Adição.
Uma vez estabelecidos os parâmetros de injeção e de controle da liga, a
introdução do elemento de liga alumínio poderá ser estudado no futuro, através de
um modelo matemático, que na prática significa a obtenção de resultados
desejados.
39
5.2. MÉTODOS E ENSAIOS
Para a realização dos ensaios, foram retiradas 60 amostras injetadas da liga
Zamac 5 com os teores propostos de 5, 10 e 15 % de alumínio.
As análises laboratoriais de microestruturas, ocorreram na empresa PROAQT
Empreendimentos Tecnológicos Ltda e os ensaios de tração e dureza foram
realizados no Laboratório Metalúrgico da Escola SENAI “Nadir Dias de Figueiredo”.
Utilizamos como recurso uma máquina injetora de camara quente AGRATI Z70 Ton conforme foto 01 de êmbolo vertical, contendo em seu conjunto de
fechamento, um molde para retirada de amostras de corpos de provas, paineis
externos para controle de temperatura e acionamento dos movimentos da máquina,
podendo ser utilizada de forma semi automatica ou automática.
A temperatura de processo utilizada para estabilização e coleta das amostras
foi na faixa de 430 a 470º C, devidamente aferida com um termopar independente,
conforme foto 02.
Foto 01 – Máquina Injetora de câmara quente.
40
Foto 02 – Verificação de temperatura com termopar independente.
5.3. ANÁLISES DOS RESULTADOS
Foram injetadas e disponibilizadas 60 amostras dos corpos de prova, das
quais 30 foram utilizadas para ensaio universal de tração e 30 disponibilizadas para
micro dureza, conforme fotos 03, 04 e 05.
Foto 03
Foto 04
Foto 05
As amostras obtidas foram analisados através dos seguintes ensaios:
5.3.1. Ensaio Universal de Tração
Foram preparados 30 amostras para o ensaio de tração, sendo divididos em
03 séries de 10 amostras, cada série com o respectivo teor de Alumínio de 5, 10 e
15%.
41
Para determinação de resistência à tração foi utilizada uma maquina marca
EMIC DL60000, contendo um conjunto de garras para fixação das amostras, um
extensômetro Trd 6 e softwere Tesc versão 3.01, conforme fotos 06 e 07.
Foto 06 Ensaio de tração em máquina EMIC DL60000 - SENAI
Foto 07 – Fixação em garras de amostras para ensaio de tração
5.3.2. Ensaio de Micro dureza
Para o ensaio de microdureza tipo Vickers foi utilizado um microdurômetro
Mitutoyo modelo HM – 122, devidamente calibrado com padrão de dureza 49-0478
conforme norma NBR NM ISO 6507-1/08, com carga de 500 gramas, sendo os
valores considerados pela média de 3 resultados para cada amostra disponibilizada.
42
5.3.3. Análise metalográfica
Para a preparação metalográfica das amostras foram realizadas etapas de
corte, lixamento, polimento e ataque químico, conforme as normas ASTM E3/2007 e
ASTM E340/2002.
A microestrutura das amostras foram reveladas com reagentes metalográficos
preparados na proporção de 5% de HCL, mais 2% de HF diluídos em 100ml de
água.
Nesta análise foi utilizado um microscópio óptico da marca Olympus mod GX51, equipado com analisador de imagens.
43
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES
6.1. Análise química
Observamos que os ensaios químicos, onde os valores de composição
química em relação à adição do elemento de liga Alumínio desejado no projeto, não
foram atingidos pela deficiência de homogeneização durante a solubilização.
Os valores obtidos são mostrados na tabela 1.
Composição Química (%)
Liga
Zamak
Zn
Al
Cu
Mg
Fe
Sn
Mn
Ni
Nº 5
94.40
3.5
0.87
.034
.018
.0012
.0023
.004
A
94.22
3.9
1.16
.059
.038
.0018
.0039
.016
B
91.82
5.4
1.35
.058
.039
.002
.004
.017
C
88.98
7.9
1.54
.065
.037
.002
.0037
.016
Tabela 1: Análise da composição química das amostras utilizadas.
Constata-se uma crescente no teor do elemento de liga Cobre, este fator esta
associado com impurezas provenientes do aluminio de adição, onde seu
acondicionamento e armazenagem não excluem os riscos de contaminação ou
mistura acidental.
44
6.2. Ensaio de resistência à tração
Para a realização dos experimentos, partimos de uma liga de Zamak 5, onde
fomos alterando o teor de alumínio, gentilmente cedidas pela Escola SENAI “Nadir
Dias de Figueiredo”.
Para a realização deste experimento colhemos três tipos de ligas de Zn com
teores de Aluminio distintos, na forma de corpos de provas pré definidos por um
molde metálico com formato apropriado para a realização de ensaio universal de
tração (tabela 1).
Para a comparação dos resultados de resistência mecânica demos enfoque a
analise do ponto de ruptura, e obtivemos os resultados apresentado no gráfico 1
sendo uma curva com os resultados obtidos de 10 corpos de prova para cada
amostra proposta.
O gráfico 2 apresenta uma média entre estas três amostras, destes foram
selecionados os que apresentaram maior e menor resultado para efetuarmos analise
macro e micrográfica para verificação das discrepâncias obtidas.
Gráfico 01
Gráfico 02
45
6.3. Determinação de microdureza Vickers
Para análise de micro dureza Vickers foram selecionadas 15 amostras sendo
necessária antes uma preparação que consistiu no corte, lixamento e polimento, a
fim de remover imperfeições na superfície e corrigir o paralelismo das mesmas.
A microdureza Vickers utilizada na caracterização das amostras foi realizada
conforme as normas ABNT NBR NM ISO 6507-2/2008 (referente a calibração do
micro durômetro) e ABNT NM ISSO 6507-1/2008 (referente ao método de ensaio).
Foi
utilizado
o
micro
durômetro
marca
Mitutoyo
modelo
HM-122,
acompanhado com padrão de calibração nº 49-0478.
As medições foram feitas na superfície das amostras denominadas A, B e C e
os valores encontrados foram considerados pela média de 3 resultados, conforme
apresentados na tabela 3.
Amostra
A
B
C
Superfície
Superfície
Superfície
Microdureza Vickers carga de 1 kg (HV
0,5)
Mínimo valor
Maximo valor
102
117
120
123
139
143
Tabela 3: Dureza superficial das amostras utilizadas.
Foi caracterizado o aumento da dureza observado nas três amostras
considerando a adição de Alumínio proposta, gráficos 03 e 04o que indica uma
tendência à alterações nas propriedades mecânicas detectadas no ensaio de tração.
Gráfico 03
Gráfico 04
46
6.4. Análise metalográfica
A preparação metalográfica das amostras envolveu as etapas de corte,
lixamento, polimento, ataque químico e microscopia ótica, conforme as normas
ASTM E3/07 e ASTM E340/2002.
Para análise dos resultados, utilizamos a comparação quantitativa nas
amostras para identificar as variações ocasionadas na microestrutura e que podem
servir de base com relação à adição do alumínio, conforme observado nas fotos
referente à macro e micro com os teores de 5, 10 e 15% de alumínio.
As alterações propostas no teor de alumínio como melhorias dos parâmetros
encontrados, podem trazer efeitos significativos nas propriedades mecânicas do
produto final.
6.4.1. Macroestruturas
Zamak 5
Foto 1. Amostra A1 (3,5%) Superfície
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
47
Amostra A, B e C
Foto 8. Amostra A (3,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Foto 9. Amostra B (5,4% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Foto 10. Amostra C (7,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Macroestrutura das amostras A, B e C, observou-se a formação de dendritas,
maior presença de precipitado do alumínio na amostra C, se comparado com a
amostra A.
48
6.4.2. Microestrutura
•
Adição de Alumínio na amostra A – Proposta 5% Al:
Foto 2. Amostra A (3,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Foto 3. Amostra A (3,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 500x
Amostra A: Constituída de zinco 94,22%, formação de dendritas e estrutura
lamelar eutética (3,9% Al)
•
Adição de Alumínio na amostra B – Proposta 10% Al:
Figura 5 (a). Amostra A1 (0,002%)
Camada
Ataque: Nital 3%
Aumento 100x
Figura 5 (b). Amostra A1 (0,002%)
Camada
Ataque: Nital 3%
Aumento 200x
Foto 4. Amostra B (5,4% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Foto 5. Amostra B (5,4% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 500x
49
Amostra B: Constituída de Zinco 91,82%, pequena formação de dendritas e
estrutura lamelar eutética, nota-se a presença de alumínio (5,4% Al).
•
Adição de Alumínio na amostra C – Proposta 15% Al:
Foto 6. Amostra C (7,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 200x
Foto 7. Amostra C (7,9% Al)
Ataque: HCL 5% e HF 2%
Aumento 500x
Amostra C: Constituída de Zinco 88,98%, formação de dendritas e estrutura
lamelar hipereutética rica em precipitado de alumínio (7,9% Al).
50
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste experimento realizado com uma pequena variação nos teores de
alumínio das amostras, podemos caracterizá-las como sendo do tipo Zamak 8. Esta
pequena variação de alumínio influenciou nos resultados obtidos nas propriedades
mecânicas com perda de aproximadamente 12%, se compararmos a liga Zamak 5
com a amostra C que ficou com 7,9% de alumínio retido na matriz.
As maiores variações observadas na dureza de superfície e microestrutura,
foram encontradas nas amostras C com maior teor de alumínio caracterizando a
solubilização do alumínio adicionado no metal fundido por agitação.
Os elevados aumentos gradativos dos teores de elemento de liga alumínio no
Zamak 5 causam um efeito prejudicial às propriedades mecânicas da liga.
São irrelevantes ao experimento os parâmetros, como: preparação da
máquina injetora, parâmetros de injeção, tempos de ciclo dos corpos de prova,
ensaios de tração, microdureza e análises metalográficas, pois todas as amostras
analisadas foram obtidas pelas mesmas condições funcionais das máquinas e
equipamentos empregados para a obtenção dos resultados apresentados.
A realização deste trabalho possibilita estudos futuros relacionando o custo do
alumínio de adição, com uma reavaliação dos parâmetros aplicados que possam
minimizar o efeito prejudicial, causado pelo elemento de liga alumínio no Zamak 5,
como por exemplo, a limitação em peças com paredes finas, extremidades de fluxo
de injeção, entre outros.
51
8. REFERÊNCIAS
GOLDENSTEIN, Hélio; FLORES, Denys da Cunha; BRAGA, Roberto; FUOCO,
Ricardo. As ligas Zinco Alumínio: características gerais e alguns resultados de
resistências ao desgaste. Metalurgia - ABM, Vol. 43 n˚ 351, fevereiro 1987.
LOURENÇO, Nuno; MOURA, Rui. Fundição Injectada. FEUP – Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto, Porto, junho 2001;
MARTINEZ, José Enrique Gonzales; Netto, Eliana Bezerra de Menezes. A
influência do elemento químico alumínio, presente na composição dos aços
carbono, nos resultados do processo de carbonitretação. São Paulo, 2004.
DUNBAR, S. R. ; SHOWAK, W. R. - ASM METALS HANDBOOK, Vol. 08 1988, Microstructure of Zinc and Alloys. ASM Handbook, Phase Diagrams. USA
S 390. YILDIRIM, M. M.,NURSOY
Diagrama Zn-Al, disponível em: http://depts.washington.edu/mti/1999/labs/metals/al
_zn_alloy.html-fasesver.php?e=mostrar&id_diagrama=39&btn_filtrar=Ok>; Acesso
em: 12 Set. 2011, 12:13:14.
EM833 – SELEÇÃO DE MATERIAIS. 1.3.7. ZINCO E SUAS LIGAS. Disponível em:
em http://http.fem.unicamp.br/.../(corr)%20Parte%20II%201.3.d%20%20Zinco%20e%20suas%20ligas.pdf. Acesso em: 10 Out. de 2011.
ASTM E 340 / 2002 Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys
Norma técnica para macrografia.
ASTM E 3 / 2007 Standard Guide for Preparetion of Metallographic Specimens
Norma técnica para Metalografia.
ABM – Metalurgia; As ligas Zinco Alumínio: características gerais e alguns
resultados de resistências ao desgaste., Vol. 43 n˚ 351, fevereiro 1987;
TORRE, Jorge; Manual prático de Fundição e elementos de Prevenção da
Corrosão. 2004 - Editora Hemus;
ASM METALS HANDBOOK, Vol. 09 – Metallography and Microstruct – Agosto
2005;
FERREIRA, José M. G. de Carvalho; Tecnologia da Fundição, Fundação
Calouste Gulbenkian / Lisboa 1999.
GARCIA, Amauri. Solidificação - Fundamentos e Aplicações - 2ª edição Editora
da Unicamp, Campinas, SP, 2008.
MALAVAZI, Jefferson. Apostila Técnica Zinco e suas ligas, Biblioteca SENAI
“Nadir Dias de Figueiredo” Registro 6926 de abril de 2008.
52
GOMES, M. R., BRESCIANI FILHO, E. Propriedades e Usos de Metais Não
Ferrosos, ABM, SP, 1979 (3a impressão).
METALS HANDBOOK, Vol. 2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and
Pure Metals, ASM, M. Park, 1979, pp. 275382, pp. 458-483 (copper); pp. 627-656
(zinc).
METALS HANDBOOK, Vol. 3 - Properties and Selection: Stainless Steels, Tool
Materials and Special Purpose Metals, ASM, M, Park, 1980, pp. 125-178 (nickel).
BRESCIANI FILHO, E., Seleção de Metais Não Ferrosos, Editora da Unicamp,
Campinas, SP, 1997.